接种量对牛粪分离液厌氧发酵特性影响

关正军，李文哲，郑国香，毕兰平

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

利用畜禽粪便厌氧发酵生产沼气，利用发酵后的沼液、沼渣生产有机肥是集养殖环境治理、生产可再生能源和改善土壤生态条件于一体的重要手段，在多种畜禽粪便当中，牛粪粗纤维含量高，在中温（35℃）条件下与猪粪和鸡粪相比，TS（Total solid）产气率低[1-2]，影响规模化养牛场沼气工程的经济性，在厌氧发酵之前将牛粪中的纤维部分分离，可以降低发酵液的黏度，提高发酵液中可发酵成分的比例，在各种固液分离工艺及设备中，对于高含固率原料（TS≥10%），螺旋压榨分离是一种适宜的分离方法[3]，与其他固液分离方法相比更简单、高效。Castrillon等研究了利用0.5 mm筛网的螺旋挤压固液分离机对牛粪进行固液分离后对分离液厌氧发酵和好氧发酵相结合的消化处理工艺[4]，该工艺是以COD去为目的，要综合利用牛粪中的各种成分，既要回收可再生能源又要生产有机肥，试验就是利用牛粪2∶1加水稀释经过螺旋挤压固液分离的分离液进行厌氧发酵。在厌氧发酵过程中，接种物浓度对发酵过程的启动和运行有重要影响，Forster-Carneiro等人研究了进料负荷和接种浓度对处理食品废弃物的厌氧发酵反应器性能影响，得出进料负荷TS为20%、接种量为30%时甲烷得率可以达到0.49 LCH4·g-1VS的结论[5]。国内研究接种量对沼气发酵影响方面的文献很多，刘荣厚等人研究了接种条件对猪粪以及蔬菜废弃物厌氧发酵沼气产量的影响[6-8]。南艳艳等人研究接种条件对秸秆发酵的影响，得出了适宜的接种量范围[9-11]。陈智远等分别研究了接种量对醋渣、菜籽粕和聚合草厌氧发酵的影响[12-14]。马传杰等研究了接种量对牛粪高温厌氧发酵的影响[15]。从文献可以看出，接种量是厌氧发酵的重要工艺参数之一，试验研究接种量对牛粪分离液厌氧发酵的影响规律，为发酵工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

发酵原料是用采自哈尔滨香坊奶牛场的新鲜牛粪经过螺旋挤压固液分离机分离后的分离液，接种物来源于东北农业大学生物质能源实验室培养的发酵后料液，试验材料参数如表1所示。

表1 沼气发酵原料参数Table1 Parameters table of methane for mational materials

1.1.2 试验装置与设备

装置与设备见图1，表2。试验设5组同步进行，每组试验装置由发酵罐和储气罐组成，发酵罐用水浴槽加热，自动控制发酵温度，集气罐与发酵罐采用乳胶管连接，在集气罐上设有刻度，标识产气量。

图1 沼气发酵试验装置Fig.1 Tester of methane fermentation

表2 发酵试验仪器设备Table2 Apparatus equipment of fermentation experiment

1.2 试验方法

选择5种接种浓度即占有效发酵容积的体积百分数分别为10%、20%、30%、40%和50%进行接种发酵试验，合计有效发酵容积5 L，发酵温度（35±2）℃，周期为20 d，每天振荡搅拌1次，每天读取产气量数据，监测pH，发酵结束后测量出水TS、VS、COD和纤维含量，产生的沼气中甲烷气体的体积百分含量，计算甲烷得率进行对比。COD测定采用快速密闭催化消解法（国家环境保护总局，2002），使用的主要仪器是Anke TGL-16G高速离心机和Spectrum 722可见分光光度计，黏度用NDJ-8S数显粘度计测量，碳氮比（C/N）的测定是用德国Elementar liquiTOC分析仪测得，总碳与用丹麦FOSS公司的Kjeltec2300氮分析仪测得总氮的比值得到。总碳的检测原理是:高温燃烧氧化样品，使含碳样品转化为二氧化碳，通过红外检测器检测二氧化碳含量，从而对样品含碳量进行定量。总氮的检测是:样品经过高温消化后，蒸馏由Kjeltec2300氮分析仪自动完成。

甲烷的测定条件:采用INNOWAX（19091N-133）毛细管柱，氢火焰离子化检测器（FID），柱温为80℃，气化室温度为100℃，检测室温度为120℃，载气使用高纯氮气，总压力130 kPa，总流量30.2mL·min-1，柱流量1.7mL·min-1，分流比15∶1，H2流量40mL·min-1，空气流量400mL·min-1。

2 结果与分析

2.1 不同接种量沼气发酵产气特性分析

按照上述试验方法，经过20 d发酵周期，pH在6.9～7.7之间，记录每天各组试验产气结果如图2所示。

图2 不同接种量产气量随发酵时间的变化Fig.2 Curve of biogas production with fermentation time under different inoculation proportion

从各接种量条件下每天产气情况可以看出，10%到50%接种量，产气高峰持续时间由长变短，10%接种量产气高峰不明显，持续到第19天，与其他接种量相比仍有一定的产气量，20%接种量产气高峰在第15天结束，30%接种量产气高峰在第13天结束，40%和50%接种量，产气高峰在第11天结束。

2.2 VS产气率比较

不同接种条件下，进料VS产气率如图3所示。

从图中可以看出，在开始阶段，随着接种量的增加进料VS产气率增大，在30%～40%之间达到最大值，接种量再增大，进料VS产气率减小。产生其变化规律的原因是在底物可利用营养物质较丰富时，微生物对底物中营养物质的利用程度由微生物的数目和活性决定，当底物中营养物质不足时，接种量大，微生物数目多，活性较低，影响底物中营养物质的降解效果。

图3 VS产气率随接种量的变化Fig.3 Change of VS gas production rate with inoculation proportion

2.3 甲烷得率评价

利用美国Agilent公司GC6890气相色谱仪测得各接种条件下沼气中甲烷含量平均在68%～74%之间，说明厌氧发酵产生的沼气甲烷纯度较好，图4和图5分别是接种量为30%和40%的气相色谱图，接种量为30%时产生沼气中甲烷含量为73.7%，接种量为40%时产生沼气中的甲烷含量为68.6%。

图4 30%接种量甲烷得率的气相色谱Fig.4 Methane percent of fermentation methane with 30%inoculums

图5 40%接种量甲烷得率的气相色谱Fig.5 Methane percent of fermentation methane with 40%inoculums

2.4 对出料指标考察

在发酵20 d后，对不同接种量条件下发酵料液各指标进行考察，结果如表3所示。从表中数据可以看出，接种量为40%的发酵料液COD去除率最高，达到59.87%，接种量为50%时的COD去除率最低。分析其原因，接种量过多导致发酵料液中可以被微生物所利用的营养成分减少，微生物生长代谢缓慢，对底物利用不充分；接种量少，微生物绝对数目少，营养成分过剩，在一定的发酵周期内，营养成分没有发酵完全，也会导致COD去除率低。

表3 沼气发酵20 d出料参数Table3 Parameters table of methane formational liquid effluent after 20 d

3 讨论

对于经过固液分离后的牛粪分离液，从不同接种量的产气特性可以看出，随着接种量的增加，发酵速度加快，产气高峰缩短，但当接种量达到一定比例后，由于进料负荷降低，底物中可利用的营养成分不足，限制了微生物的活性，导致VS产气率降低。接种量为30%、40%时，对应的VS产气率是168.16和172.96 L·kg-1，对比其他研究结果，取得了较满意的效果。

从甲烷产率的角度来看，牛粪分离液在各接种量条件下都可得到较好结果；从COD去除率来看，30%和40%两个接种量获得较高的去除率值，分别达到55.47%和59.87%。这一结果与VS产气率随接种条件的变化规律相一致。

下一步将围绕牛粪分离液厌氧发酵工艺展开研究，对规模化养牛场沼气工程建设提供技术支持。

4 结论

文章研究了不同接种量对牛粪固液分离液厌氧发酵产气特性的影响规律，得出结论:在中温（35±2）℃条件下，接种量为40%时，VS产气率为172.96 L·kg-1，40%接种量可获得较高的COD去除率值，达到59.87%，研究结果为进一步探讨牛粪分离液厌氧发酵工艺、提高发酵效率具有参考价值。

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